利用双稳态磁线进行物理量测量和/或位置测量的系统，测量方法与流程

本发明涉及激励元件和双稳态磁线的组合，其中制造该组合以利用双稳态磁线进行各种物理量和/或位置测量。该系统和方法的新颖性主要在于激励元件和实际双稳态磁线的磁场的特定不对称位置，由此显著提高了原始测量数据的解释价值。

背景技术：

1、双稳态磁性元件用于测量各种物理量和位置，其中双稳态磁性元件由无源件形成，该无源件通过磁化对磁场中位置的变化或物理量的变化做出反应。

2、例如，在文献gb2374084a中描述了具有双稳态磁性质的合金和由该合金制成的微线。这种微线能够对各种物理量做出响应，但是响应评估是有问题的，因为现有技术的双稳态磁性元件可能具有复杂的磁行为，其中磁化发生在单条微线内的多个磁畴中，而不是单次壁跳跃中。双稳态磁线在位置测量、角度测量和旋转测量中的应用也是已知的。

3、在文献us4484090a中阐明了缠绕在芯上的双稳态磁线的激励。该解决方案无法评估物理量。在文献jph03252577a中描述了双稳态磁性元件的一些磁行为，然而，该文献没有解决与解释测量的非线性值有关的问题。

4、de2817169a1、de3427582a1、su1753425a1描述了具有一定水平的磁双稳态的韦根(wiegand)线的系统，这些系统用于确定双稳态磁性元件与传感器近似。由于该布置，无法测量双稳态磁性元件附近的物理量的值。

5、根据公开ep0484716a1的位置传感器或旋转传感器使用韦根线，旋转永磁体接近该韦根线。传感器仅对磁场的变化做出反应，不评估物理量的大小。

6、根据文献de4107847c1的韦根传感器允许无接触地传输关于开关闭合的信息，该信息可以对物理量(诸如温度、压力、加速度)的变化做出反应，但是其需要合适的传感器，随后通过该传感器控制开关，即物理量不由双稳态磁性元件本身测量。

7、期望一种新的未知技术解决方案，该技术解决方案结构简单，可提高各种物理量测量的可重复性和解释性，并且消除了噪声和二次现象的影响。双稳态磁性元件本身必须对所测量的物理量的变化做出反应，并且还生成响应，该响应无接触地传输到接收元件。

技术实现思路

1、通过利用双稳态磁线进行物理量测量和/或位置测量的系统基本上消除了上述缺点，其中该系统包括用于生成磁场的激励元件，双稳态磁线位于该磁场的范围内。根据本发明，双稳态磁线具有第一端和相对放置的第二端，因此不缠绕成螺旋状或线圈，其中通过从第一端到第二端或从第二端到第一端的单次巴克豪森前沿跳跃对双稳态磁线进行磁化调整，其本质在于激励元件和双稳态磁线放置在相互位置，在该相互位置，激励元件在第一端处激励的磁场的大小不同于激励元件在第二端处激励的磁场的大小。在非零激励的每个时刻(因此在给定时刻)，第一端和第二端处的磁场是不同的，其中激励在时间上是动态的。该系统还包括用于从双稳态磁线接收响应的接收元件。

2、本文中的术语“第一”和“第二”用于不同地命名两端，并且这些术语可以互换，因此术语“第一”和“第二”并不表示双稳态磁线的相应端的优越性或重要性。

3、在给定的激励时刻，端部处的磁场不同导致磁场不对称，该不对称磁场与单次巴克豪森跳跃导致的磁化共同使得测量结果具有可重复性和可解释性。对于实际的测量应用，重要的是双稳态磁线的行为从根本上受到测量量或测量位置的影响，并且其他因素(包括双稳态磁线的更复杂磁特性的行为)可以忽略，或者至少可以识别，以便在评估原始数据时进行校正。

4、为了确保激励场和双稳态磁线的相互位置的不对称性，第一端和第二端处的磁场值相差5％、优选地10％、尤其优选地大于25％便足够了。这有助于在整条线内从一端到另一端的一次跳跃中发生磁化。如果在沿着线长度的多个单独的磁畴内发生磁化，则测量的响应将包括多个单独的行为，这显著影响测量的可解释性。随后也无法确定测量数据的相关性，从而降低了双稳态磁线的应用可能性。本发明的目的是实现有效、完整、真正的磁化双稳态，其中双稳态磁线的磁畴结构不包括许多磁畴，否则将会因单条线内有多个磁畴移动而导致磁化。可以将沿其长度具有多个磁畴的双稳态磁线的测量比作单个激励场中的几个独立双稳态磁线的测量，这导致所得测量结果是无法被可靠识别的各个响应的总和，并且因此汇总响应向量实际上并不可用。

5、可以使用几种技术可能性来产生相对不对称的磁场，其中适当选择相应结构也将取决于具体的测量量或测量位置。原则上，通过根据本发明的系统，可以测量温度、压力/张力、磁场。从这些基本量中，可以间接测量整个范围的其他物理量以及各种位置关系，可以测量双稳态磁线的存在，可以通过测量导体处的磁场来测量其相互位置、电流参数，还可以测量地球磁场中的位置和线性馈送，或根据对相应方向伸长率的测量来测量弯曲和扭转应力，或液体或气体的流动。

6、测量磁场变化使得能够检测双稳态磁线或安装双稳态磁线的载体的位置变化、旋转变化，并且还使得能够测量相对于携带激励元件的另一物体的相对位置。在此基础上，可以构造位置传感器、旋转传感器、末端传感器、磁性物体或带有磁性物体的载体的接近度传感器、相对于地球磁场的绝对位置传感器等。

7、激励元件的天线可以用于测量响应，或者优选地，该系统包括单独的接收元件，例如接收线圈的形式。在这种情况下，激励元件可以是初级线圈，并且接收元件将由次级线圈形成。次级线圈可以连接到放大器和评估单元。接收元件可以与双稳态磁线的位置同轴定位，或者可以位于彼此相互的另一个位置，以便在允许接收响应的范围内。

8、在合适的实施例中，双稳态磁线是直径小于50μm、优选地小于25μm、特别优选地小于15μm的微线形式。正是在芯直径小于15μm并且具有合适的非晶体金属合金成分的情况下，径向磁结构消失，这与同时快速冷却(通常是水冷)的拉丝工艺有关。由于双稳态磁线表现为完全双稳态，因此在线的整个长度上有效地实现了双稳态，并且在磁化期间磁畴壁从第一端延伸到第二端，而不是沿着线长度在几个单独的区域内分开。还发现如果双稳态磁线的长度是双稳态磁线的直径的至少100倍、优选地至少10000倍是合适的，这意味着其为直径较小的线，也可以称之为微线。

9、双稳态磁线的典型结构包括非晶体金属芯和盖，例如玻璃盖，其外径不大于金属芯直径的三倍。玻璃盖的厚度可以在1μm至20μm的范围内。玻璃盖(即，玻璃表面层)保护金属芯不与环境电接触，免受侵蚀性化学环境的影响，由此双稳态磁线可以广泛使用，例如直接用于电动机绕组或建筑材料内部、人体内部等。原则上，也可以使用不带圆周盖的双稳态磁线，或者也可以使用不同于玻璃的其它材料的盖。

10、已证明具有三角信号(通常具有对称三角信号)的磁激励较为合适(如本发明的发明人的早期公开中所述，其简化了对测量信号的评估)。为此，根据本发明的系统被调整为连接到功率元件、控制元件和评估元件。根据来自控制元件的指令，功率元件向激励元件传输经调节的电源以获得三角激励信号。评估元件获取并分析从双稳态磁线接收的响应。

11、激励场的不对称性可以通过如下方式来实现，即激励元件(产生基本对称的磁场)相对于双稳态磁线相对不对称地布置。如图3所示，位置不对称性确保双稳态磁线的第一端比第二端处于更高的磁场中，并且因此双稳态磁线将始终随着一个磁畴壁的移动而被磁化，该磁畴壁处于更高的磁场中。位置不对称性可以通过设置空间关系来实现。同时，激励元件的线圈和双稳态磁线可以同轴布置，因此具有相同或平行取向的纵向轴线。

12、通过构造具有不均匀线圈绕组的激励元件，例如在第一端或第二端处具有不同的螺距或不同数量的线，可以确保激励磁场的不对称性。激励元件的这种结构的结果是，在激励元件的端部处，或者在距端部一定距离处，磁场的大小不同。在这种情况下，激励元件和双稳态磁线的相互位置可以是空间对称的，但是在双稳态磁线的第一端和第二端处，将处于不同大小的磁场中。

13、如果不对称磁场是由激励元件生成的，则根据第一项权利要求的描述激励元件和双稳态磁线的相互位置的定义也包括对称的相互位置。第一项权利要求的定义表达了相互布置，这可以通过几种手段或者通过技术手段和相对空间布置的不同组合来实现。对于实现根据本发明的效果很重要的磁场的不对称性始终是在第一端处和第二端处的磁场大小的相对关系中进行理解。通过添加屏蔽元件或者通过将另一个次级线圈放置在激励元件的初级线圈与初级线圈之间，也可以实现激励磁场的不对称性。在这种情况下，激励元件和双稳态磁线的相互位置也可能看起来是空间对称的，但是在第一端和第二端处的磁场的不对称性将很重要。

14、在磁场不对称的所有形式中，激励元件可以放置成与双稳态磁线的位置同轴，或者可以放置成紧邻双稳态磁线。在大多数应用中，假设由激励元件生成的磁场的纵向轴线将基本平行于双稳态磁线的纵向轴线，但是原则上角度不同的位置也是可能的，例如，激励元件的纵向轴线与双稳态磁线的纵向轴线偏离30度以内。

15、现有技术中提到的缺点通过利用双稳态磁线进行物理量测量和/或位置测量的方法得以消除，其中可变磁场由激励元件发射，其中至少有一条双稳态磁线放置在所激励磁场的范围内，当磁场通过从第一端到第二端或从第二端到第一端的单次巴克豪森前沿跳跃改变时，该磁线被磁化，并且其中双稳态磁线的响应随后被感测元件感测到，根据本发明，其本质在于激励元件和双稳态磁线保持在相互位置，在该相互位置，激励元件在第一端处激励的磁场不同于激励元件在第二端处激励的磁场。定义端部处磁场大小的差异应该通过以下事实来解释，即当不测量双稳态磁线的变化位置时，即使双稳态磁线可以相对于激励元件移动(例如，当测量旋转轮胎中的压力时)，该差异也适用于静态。这意味着在磁化的瞬间，双稳态磁线的端部处于不同大小的磁场中。在测量双稳态磁线的变化位置的情况下，例如当测量线性位置时，同样适用的是，在磁化时刻，双稳态磁线的端部处于不同大小的磁场中，并且同时由于作为测量对象的移动，磁场中存在差异。

16、同时，优选的是，如果磁场具有三角形形状，特别优选地对称的三角形形状，则评估双稳态磁线的响应的局部最大值的时间和局部最小值的时间，这两个时间基本上是双稳态磁线的磁化的时间点。这些时间的总和是表示测量量或测量位置的相关性的参数，其中抑制了其他不可测量的因素和噪声。这不仅提高了测量数据的可解释性，还加快了数据评估的速度。如果计算这些时间之间的差，并且该参数表示干扰常规磁传感器测量的寄生磁场，则这也是合适的。根据本发明的过程抑制了寄生磁场的影响。

17、根据本发明的系统和方法的重要特征是，在评估响应信号时，搜索局部最大值和局部最小值，并且在识别这两个值之后，利用测量最大值和最小值的时间t1、t2来工作。此外，该方法不像现有技术中常见的那样基于测量的振幅的值工作，而是利用时间值工作，时间值是所接收信号中易于明确识别的参数。这是由于这种评估快速、准确且对各种继发效应不敏感。例如，激励元件和感测元件的精确位置、形状和大小并不重要。

18、在本发明主题的发展过程中，已经表明双稳态磁线根据激励场的频率对每个测量量具有不同的反应性。因此，在优选的布置中，根据本发明的方法包括根据测量量或测量位置的类型以不同或变化的频率来激励磁场。通用激励发电机以及激励元件将可选地适用于此，或者也可根据不同应用使用不同的激励元件。由于这一发现，双稳态磁线的一种结构也可以用于不同的频率。一种应用的稳定频率值可以不同于另一种应用中使用的稳定频率，或者这些频率可以针对特定类型的测量在不同的范围内变化。

19、本发明的显著优点是测量精度可重复，这与所获得的原始数据的解释水平提高有关。还能对测量物理量的变化做出快速响应。由于双稳态磁线的尺寸小、成本低及其能量无源性，根据本发明的系统可以广泛应用于各种技术应用中。